波面斜率结构函数及其在自适应光学扩展信标波前探测中的应用

从结构函数的定义出发 ,推导出了斜率结构函数表达式 ,并且在模拟大气随机波前的仿真实验中得以验证。同时 ,将斜率结构函数应用于扩展信标波前探测中 ,可作为选择最佳基准子波面的依据。

强大气湍流下扩展信标波前重建方法研究

针对强湍流环境下自适应光学系统无理想点信标波前探测的难题,本文提出利用光场传感器(Plenoptic sensor)对扩展信标进行光场信息探测。对扩展信标的光场成像原理、波前位相重建算法、误差影响规律进行研究,利用等效法将扩展信标看做数个离散点的集合,简化扩展信标在光场传感器上的成像过程,然后将光场图像按照特定方式重新进行排列组合。通过图像互相关法和Zernike模式法实现0°视场的波前重建。针对不同输入像差系数、单列微透镜单元数和噪声等误差影响因素进行仿真研究,结果表明:当输入像差在6.5λ以内时,波前重建精度约为0.08λ,对于图像分辨率为1080×1080、像元尺寸为5.5μm的图像探测器,单列微透镜单元数在40~50之间时波前重建精度最高,此外,系统噪声几乎不影响精度。最后,搭建了扩展信标波前探测系统,通过探测扩展信标对0°视场的4种像差波前进行重建,实验系统的波前重建精度约为0.04λ,基本满足自适应光学系统的波前检测要求。

实际大气湍流下弱光信标Shack-Hartmann波前传感器的波前斜率探测误差

深入分析了 Shack-Hartmann波前传感器 (S-H WFS)在实际大气湍流条件下弱光信标波前斜率的探测误差 ,导出了定量分析的数学模型。分析结果表明 ,当 S-H WFS用于弱光信标 (光子受限 )湍流波前斜率的探测时 ,除了信标光起伏和探测器噪声外 ,大气强度闪烁、天空背景光等因素会增加探测误差 ,并且随着探测信标与天空背景光的对比度的下降 。

自适应光学中扩展信标波前探测的研究与实验

讨论了一种基于Hartmann Shack (H S)传感器的扩展信标相关波前探测方法。通过在传统H S探测光路的物平面上加入视场光阑消除了子孔径像斑的重叠问题 ,并利用一种快速相关算法计算各像斑的相对位移 ,进而得到各子孔径波前的相对斜率。光学实验研究证实了该相关波前探测方法能够较精确地测算出波前像差 ,从而使目前使用最多的H

两种提高扩展信标波前探测信噪比的方法

为了空对地观测相机在工作时达到接近衍射极限的高分辨率成像,采用扩展信标和相应的H-S波前传感器探测成像系统入瞳面上的波前畸变,以实现动态补偿.基于这种波前探测、重构的模式下,推导和分析了波前探测系统焦面上子孔径图像信噪比的估算公式.根据模拟实际的一组参数值,表明该图像信噪比过低,不能满足探测精度的要求,继而提出减小探测系统的垂轴放大率和增加测量次数提高图像信噪比的方法,实例计算验证了其可行性.

信标光强度影响下的Hartmann波前探测

报道了Ｈａｒｔｍａｎｎ波前探测与信标光强度关系的实验研究。给出了在信标光强度变化时的波前探测相对误差以及波前探测误差对自适应光学系统闭环控制的影响。

基于高斯光斑的相关HS波前斜率处理器

大规模自适应光学系统要求哈特曼-夏克波前传感器的子孔径数目巨大,这势必会增加波前斜率提取电路实现的难度。为了在大规模自适应光学系统中进行波前斜率提取,提出了一种相关算法的实现结构,以高斯光斑作为参考模板,通过两次级联滤波完成子孔径光斑之间的相关运算,并得到局部波前斜率。与多通道并行处理的实现结构相比,本文所提出的结构实现的硬件成本不会随着子孔径规模的增大而显著增加,特别适用于大规模自适应光学系统的波前斜率提取。实验结果表明:对于8×8方形排布的哈特曼-夏克波前传感器图像,本文的结构用FPGA内实现,在27MHz的工作频率下,完成一帧所有子孔径斜率计算的延迟为1.2μs,均方根误差小于0.02个像素,最大误差不超过0.04个像素。而资源消耗仅仅为925个Slices。本结构能够满足大规模自适应光学系统中波前斜率探测高速实时和高精度要求。

波前传感器子孔径数和信标亮度的匹配

针对云南天文台１．２ｍ望远镜上的６１单元高分辨率自适应光学系统，进行了微光工作环境下波前传感器子孔径数和信标亮度匹配的实验研究。在ＨａｒｔｍａｎｎＳｈａｃｋ波前传感器前的平行光路加入一个变倍光学系统，进行了８×８、６×６、４×４和２×２子孔径阵列在不同信标亮度下波前传感器对波前的探测实验。实验结果表明，在弱光工作条件下，ＨａｒｔｍａｎｎＳｈａｃｋ波前传感器子孔径数和信标亮度的匹配，有助于提高波前传感器的信噪比，使得自适应光学系统在极弱光环境下仍能校正低阶象差。

基于子孔径波前振幅调制的斜率和曲率信号提取算法

斜率和曲率混合型波前传感技术将子孔径内波前的一阶和二阶导数信息全部利用起来,能够实现高阶像差的精密测量,是区域型波前传感技术的一个重要发展方向。在利用子孔径波前振幅调制的斜率和曲率混合型波前传感器的基础上,提出了一种基于质心探测的斜率和曲率信号提取算法,实现各个子孔径内待测波前斜率、拉普拉斯曲率以及扭转曲率的直接测量。仿真结果表明,在理想条件下,单一子孔径内斜率和曲率信号的检测精度均在0.02λ(λ=632.8 nm)以内;噪声水平小于10%时,斜率和曲率信号的检测精度均在0.08λ以内。该算法具有较高的检测精度及良好的抗噪性。

由波前斜率信息进行波前重建

本文在Southwell等人文章的基础上,提出两种新的探测子孔径等边三角形排列的区域法重建模型,计算了其噪声系数,并对重建方程的矩阵解和迭代解做了比较。

大气湍流畸变波前斜率的稀疏分解

利用压缩感知技术对大气湍流波前探测数据进行压缩,可使测量数据量大幅度减少,能有效降低数据的传输与存储压力,有利于湍流波前的实时测量;但压缩条件要求波前信号是稀疏的或在某个变换域内能够稀疏表示。本文对大气湍流波前斜率信号的稀疏性进行了初步研究,基于大气湍流的统计特性,在频域内对湍流功率谱作黄金分割采样(GS),建立符合大气湍流斜率物理特征的稀疏基,明确了湍流波前斜率的稀疏性。利用该GS稀疏基对波前斜率进行稀疏分解,并通过仿真实验对比了不同稀疏基对波前斜率的稀疏分解效果。在此基础上,以GS基作为训练基的初始化字典,进行K奇异值分解字典训练(KSVD),得到训练基(KSVD-GS),分析了该训练基对波前斜率信号的稀疏表示性能。本文验证了波前斜率能够稀疏分解,建立了一个较好的稀疏基,为压缩感知的应用提供了前提基础。

目标粗糙特性对主动照明信标波前探测的影响

建立了基于目标粗糙特性的主动照明信标数值计算模型,分析了目标粗糙特性对散射回波光强均匀性和波前均方根的影响,对比了不同目标粗糙程度下主动照明信标探测波前和点光源信标探测结果的差异,以及自适应光学系统校正效果。研究结果表明:随着目标表面粗糙程度减弱,散射回波的波前均方根变大,主动照明信标和点光源信标探测波前结果差异增大,自适应光学系统校正效果下降。此外,增多照明光路数可以抑制弱粗糙表面时上行链路湍流对主动照明信标波前探测的影响。

基于哈特曼-夏克波前探测的图像解卷积:室内结果

在简要介绍哈特曼夏克波前传感器原理和基于波前传感的目标图像解卷积恢复技术的基础上 ,分别给出了室内模拟点源和扩展源情况时畸变目标光斑图像解卷积处理的实验结果。结果表明 。

高精度相位差波前探测器的数值仿真和实验研究

相位差(PD)波前探测器具有光路简单、共光路测量等优点,不仅适合点目标,而且适合扩展目标。随着算法和硬件水平的不断提高,相位差法已经成为波前探测技术的一个重要发展方向。对相位差波前探测器进行了研究,成功实现了对点目标和扩展目标的波前探测,给出了数值仿真结果。针对点目标,搭建实验光路,对静态的单阶Zernike像差和随机像差进行探测,分析了影响探测精度的主要因素。结果表明,相位差波前探测器可以准确地探测波前,在给定的实验条件下,相位差法对低阶像差探测的均方根误差小于λ/100,对随机像差的探测的均方根误差小于λ/50。

一种使用多核CPU的相关哈特曼-夏克波前处理机

斜率算法对哈特曼-夏克传感器非常重要,而基于归一化互相关斜率算法的哈特曼-夏克传感器可满足强噪声情况下点光源和扩展目标的斜率探测需求。为解决互相关斜率处理器可移植性差的问题,提出用多核中央处理器(CPU)来实现斜率探测。在优化归一化互相关算法的基础上,编程实现斜率探测,并从多核并行和运算向量化两方面优化程序,提升斜率提取速度。当模板分辨率为9 pixel×9 pixel时,优化程序在Intel(R)Core(TM)i7-3770k四核计算机上运行,完成400个15 pixel×15 pixel的子孔径斜率提取,用时约为340μs。搭建了自适应光学系统,对优化后的斜率算法进行系统闭环测试。结果表明,使用多核CPU的相关哈特曼-夏克自适应光学系统能在强噪声环境下进行有效的波前校正。

自适应光学

O439 2002021589波面斜率结构函数及其在自适应光学扩展信标波前探测器中的应用=Structure function of wavefrontslope fluctuation in adaptive optics and its applica-tion to extended beacon wavefront detection[刊,中]/陈珂,赵达尊(北京理工大学光电工程系.北京(100081))∥光学技术.—2001,27(2).

钠信标技术研究进展

在天文学领域,利用地基大口径望远镜对天体进行高分辨率观测是研究天体物理、星系演化等关键科学问题的重要手段。然而,大气湍流的扰动严重限制了地基光学望远镜的成像质量。为解决这一问题,各大望远镜都采用自适应光学技术,校正大气造成的波前畸变,实现近衍射极限分辨能力。其中,激光钠信标技术,即通过激发90 km处钠原子自发辐射产生人造亮星,为自适应光学波前探测提供参考基准,成为了此领域的核心技术之一。首先介绍国内外钠信标的发展历程,以及新型的钠信标自适应光学系统。然后,针对目前钠信标所面临的局限性,介绍钠信标正在研究的热点方向。最后,介绍钠信标的新应用领域,钠信标不仅在天文学中发挥关键作用,还扩展到多个相关领域,展现出广阔的应用前景。